Corso di Laurea in Chimica e Tecnologie Farmaceu3che a.a. 2011-­‐2012 Università di Catania Trascrizione e sue regolazioni Regolazione della trascrizione nei procario3 Stefano Forte La regolazione dell’espressione genica La regolazione dell’espressione genica è di grandissima importanza anche nei procario3. Non tuC gli enzimi della cellula devono essere sinte3zza3 contemporaneamente e non tuC devono essere sinte3zza3 nella stessa quan3tà. La regolazione è fortemente influenzata dall’ambiente proprio per perme;ere al ba;erio di rispondere in maniera efficace alle variazioni nel mezzo in cui il ba;erio si trova. L’induzione e la Repressione rappresentano due efficaci meccanismi di regolazione dell’espressione genica opera3 dal baIerio. Essi permeIono al baIerio di sinte3zzare gli enzimi necessari soltanto quando servono. L’organizzazione dei geni nei procario3 • Nei procario3 i geni sono organizza3 in operoni L’organizzazione dei geni nei procario3 • La regolazione degli operoni La repressione Gli enzimi che catalizzano la sintesi di un prodoIo non vengono sinte3zza3 se questo prodoIo è già presente nel mezzo. La repressione dei sistemi enzima3ci deputa3 alla sintesi di un dato composto è effeIuata dal composto stesso che, se presente nel mezzo, assume il ruolo di repressore. La repressione è un fenomeno estremamente diffuso, ed è altamente specifico. Il vantaggio della repressione è ovvio: l’organismo non spreca la propria energia per la sintesi degli enzimi non necessari. L’induzione L’induzione enzima3ca, o semplicemente induzione, rappresenta il fenomeno aIraverso il quale la sintesi di un enzima è aCvata soltanto quando il suo substrato è disponibile. Un esempio è dato dagli enzimi per la degradazione di sostanze energe3che. Ques3 vengono prodoC esclusivamente se le sostanze da degradare sono presen3 nel mezzo, e possono quindi essere u3lizzate. • La sostanza che inizia l’induzione enzima3ca è chiamata indu.ore • La sostanza che reprime la produzione di enzimi è chiamata corepressore (perché richiede l’intervento di una proteina addizionale chiamata repressore) • Queste sostanze, che di solito sono piccole molecole, vengono colleCvamente definite effe.ori Induzione e Repressione Come fanno gli effeIori ad influenzare i geni bersaglio in maniera così specifica? • Legando combinandosi con proteine di regolazione specifiche Quando un corepressore lega una proteina di regolazione (repressore) la rende capace di legarsi in una specifica regione di DNA a valle del promotore deIa operatore. Il legame di questo complesso impedisce alla polimerasi di proseguire e di sinte3zzare l’mRNA dei geni a valle. I geni bersaglio sono tuC posiziona3 a valle della regione operatore, vengono quindi controlla3 simultaneamente. Questo 3po di organizzazione viene chiamata operone. Repressione Promotore Operatore Gene 1 Gene 2 Trascrizione RNA polimerasi repressore Promotore RNA polimerasi Operatore repressore corepressore Gene 1 Gene 2 Trascrizione Bloccata Induzione Promotore RNA polimerasi Promotore Operatore repressore Operatore Gene 1 Trascrizione Bloccata Gene 1 Trascrizione RNA polimerasi repressore Gene 2 induIore Gene 2 Il controllo posi3vo La repressione e l’induzione sono meccanismi di controllo nega3vo dell’espressione in quanto in entrambi i casi è coinvolta una proteina regolatrice specifica, chiamata repressore, che impedisce la sintesi dei geni di un operone. Nel controllo posi5vo una proteina regolatrice promuove il legame della RNA polimerasi agendo così in modo da incrementare la sintesi degli mRNA regola3. Le proteine regolatrici che intervengono in questo processo sono chiamate a;vatori (o proteine di a;vazione) I si3 di legame per gli aCvatori possono talvolta essere localizzate a distanza dai promotori. In questo caso la loro azione è mediata dal ripiegamento del DNA (secondo un modello simile a quello incontrato per gli enhancer eucario3ci) Repressione Promotore Operatore Gene 1 Gene 2 La trascrizione non ha inizio RNA polimerasi Promotore RNA polimerasi aCvatore induIore Operatore aCvatore Gene 1 Trascrizione Gene 2 Funzionamento dell’operone del laIosio La trascrizione nei procario3 • I meccanismi della trascrizione
• Il modello dell’operone
• L’attenuazione
L’aIenuazione Un’altra modalità di controllo nota come aIenuazione è u3lizzata in alcuni operoni che controllano la sintesi degli aminoacidi. Il caso più conosciuto è quello della via biosinte3ca dell’aminoacido triptofano. L’operone del triptofano possiede diverse modalità di regolazione, una di queste è appunto l’aIenuazione che prevede la presenza di una par3colare sequenza, chiamata sequenza guida, all’interno della quale è presente una regione codificante per un polipe3de. Questo polipep3de ha tre codoni per il triptofano consecu3vi. L’aIenuazione L’aIenuazione, nell’operone triptofano, è possibile soltanto perché nei procario3 trascrizione e traduzione sono accoppiate: la traduzione inizia prima che la sintesi dell’mRNA sia terminata. Lo spostamento del ribosoma sull’mRNA in formazione può influenzare il ripiegamento dell’mRNA stesso nascondendo delle regioni complementari. La terminazione prematura della trascrizione è influenzata proprio dalla formazione di struIure secondarie 3piche L’operone del triptofano L’operone triptofano • L’operone del triptofano è sempre acceso. • La polimerasi comincia a produrre mRNA messaggero. • Il ribosoma si aIacca e comincia a produrre il polipep3de codificato dalla sequenza dell’aIenuatore • Se vi è una elevata presenza di triptofano la velocità del ribosoma è elevata, il ribosoma raggiunge la regione 2 e le impedisce di legarsi, per complementarietà, alla regione 3. In questo modo la regione 3 si appaia con la regione 4 formando una struIura che induce la terminazione della trascrizione L’operone triptofano • Se il triptofano è scarso, quando il ribosoma arriverà in corrispondenza dei tre codoni per il triptofano effeIuerà una pausa. La diffusione degli aminoacil-­‐tRNA per il triptofano è infaC più lenta e il ribosoma deve aspeIare che ques3 arrivino. • La sosta del ribosoma nella zona 1 non impedisce alla zona 2, che questa volta è libera, di appaiarsi con la regione 3. Non potendosi più formare la struIura di terminazione (perché la regione 3 è impegnata e non disponibile per l’appaiamento con la regione 4) la trascrizione con3nua a valle producendo un mRNA con i geni per la biosintesi del triptofano.
